外冷器換熱效率監(jiān)測(cè)在碳化塔熱煮中的應(yīng)用

李丹丹，王勝偉，王亮亮，蔣建紅，張志強(qiáng)

(中鹽昆山有限公司，江蘇 昆山 215300)

中鹽昆山有限公司是以純堿為主要產(chǎn)品的化工生產(chǎn)企業(yè)，外冷式碳化塔作為重要的生產(chǎn)設(shè)備，共有10座塔，分二個(gè)塔組，每組四制堿一清洗，制堿96 h后轉(zhuǎn)入24 h清洗，目前年生產(chǎn)能力可達(dá)80萬(wàn)t。在制堿過(guò)程中，碳氨Ⅱ與CO2在塔內(nèi)反應(yīng)后自然循環(huán)至外冷器產(chǎn)生過(guò)飽和溶液，通過(guò)調(diào)整外冷器出水閥開(kāi)度控制塔內(nèi)溫降梯度，實(shí)現(xiàn)調(diào)控一次晶核生成速度及晶核生長(zhǎng)速度，從而制得晶粒粗大NaHCO3晶體及其他成分的母液懸濁液，從塔底取出后經(jīng)真空帶濾機(jī)過(guò)濾、洗滌后，形成厚度均勻的濾餅進(jìn)入煅燒爐高溫?zé)峤鉃榧儔A(Na2CO3)，分解出的CO2經(jīng)壓縮送入制堿塔，濾液經(jīng)冷卻結(jié)晶、分離干燥后制得氯化銨(NH4Cl)。在NaHCO3晶體的析出過(guò)程中，外冷器起到不可替代的作用，影響NaHCO3晶粒的大小及分布，進(jìn)一步影響重堿水分以及煅燒蒸汽能耗[1]。

本公司外冷器冷卻管采用鈦材制作，結(jié)疤不易在冷卻管內(nèi)部聚集，但行業(yè)內(nèi)普遍采用的是四制堿一清洗作業(yè)的生產(chǎn)模式，即72 h制堿24 h清洗，而本公司采用96 h制堿24 h清洗，制堿時(shí)間較長(zhǎng)且清洗時(shí)間并未同步延長(zhǎng)。因制堿作業(yè)時(shí)間的延長(zhǎng)，黏晶以及單晶在塔內(nèi)壁、篩板以及管壁上不斷聚集，在倒塔操作時(shí)，清洗條件以及塔況的不同，致使清洗效果變差。因此，在運(yùn)行一段時(shí)間后，碳化塔內(nèi)壁以及冷卻管內(nèi)結(jié)疤現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，使得碳化塔以及外冷器內(nèi)部有效面積減少，造成碳化產(chǎn)量降低以及細(xì)晶增多，縮短制堿作業(yè)周期。

1 碳化塔清洗工藝存在的問(wèn)題及解決措施

在制堿過(guò)程中，有結(jié)晶的析出，必然伴隨著黏晶、單晶等結(jié)晶物質(zhì)向塔內(nèi)壁以及冷卻管表面析出而產(chǎn)生結(jié)疤。如表1所示，碳化塔內(nèi)部結(jié)疤以NaHCO3為主要成分，約占84.6%。結(jié)疤腐蝕碳化塔內(nèi)壁、篩板以及外冷器冷卻管，導(dǎo)致制堿效率下降，同時(shí)加劇了母液的湍流，促使二次晶核的生長(zhǎng)，影響碳化結(jié)晶，進(jìn)一步影響純堿成品粒度，降低客戶滿意度。

表1 碳化塔內(nèi)部結(jié)疤成分含量

本公司碳化塔常規(guī)采用的清洗介質(zhì)為吸氨后的熱氨Ⅱ母液，溫度控制在30～35 ℃，清洗過(guò)程為熱氨Ⅱ在氮?dú)獾墓膭?dòng)下清洗碳化塔后進(jìn)入中和水桶，形成碳氨Ⅱ母液，經(jīng)過(guò)濾及換熱后進(jìn)入制堿塔制堿。在生產(chǎn)中有時(shí)為了控制進(jìn)入制堿塔的碳氨Ⅱ溫度在合理的工藝指標(biāo)范圍內(nèi)，清洗作業(yè)時(shí)將外冷器出水閥開(kāi)度控制在20%～50% ，熱氨Ⅱ不能充分溶解塔壁以及冷卻管結(jié)疤，清洗效果變差，外冷器換熱面積減少，換熱效率相應(yīng)地下降。冷卻管結(jié)疤易導(dǎo)致局部過(guò)冷或者過(guò)飽和[2]，對(duì)碳化結(jié)晶極為不利，因此必須采用熱煮碳化塔的手段來(lái)解決結(jié)疤問(wèn)題。本文通過(guò)監(jiān)測(cè)外冷器換熱效率，判斷碳化塔是否需要熱煮，從而增加外冷器換熱面積，改善碳化結(jié)晶。

外冷器換熱效率是評(píng)價(jià)其傳熱性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一些文章[3,4,5]對(duì)換熱器換熱效率進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究驗(yàn)證，并對(duì)換熱效率η定義為實(shí)際傳熱Q實(shí)際與理論上的最大傳熱量Q最大之比，即：

(1)

其中，Q實(shí)際為外冷器實(shí)際可傳遞熱量；Q最大為理想最大可傳遞熱量；W為母液流量；Cp為母液比熱容；T1/T2分別為母液進(jìn)出外冷器的溫度；t1/t2分別為循環(huán)冷卻水進(jìn)出外冷器的溫度。

根據(jù)換熱器換熱效率公式(1)，在綜控DCS操作畫面上進(jìn)行了組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)顯示外冷器換熱效率，便于監(jiān)測(cè)外冷器的換熱性能，從而判斷碳化塔以及外冷器的工作性能。實(shí)施案例如圖1所示，在制堿作業(yè)后期，換熱效率不斷下降，說(shuō)明冷卻管內(nèi)部產(chǎn)生較多的結(jié)疤，需要及時(shí)進(jìn)行熱煮，改善外冷器換熱性能。

圖1 換熱效率曲線及

2 換熱效率的監(jiān)測(cè)

根據(jù)外冷器冷卻管內(nèi)外冷熱流體之間的換熱效率，判斷冷卻管內(nèi)部析出結(jié)晶結(jié)疤的情況，為是否啟用熱循環(huán)水熱煮碳化塔提供重要參考。如表1所示，通過(guò)調(diào)查A塔外冷器(a)月周期制堿作業(yè)換熱效率發(fā)現(xiàn)，整個(gè)作業(yè)周期尤其是作業(yè)后期，A塔換熱效率較低，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行通管沖洗恢復(fù)換熱性能。此外，表1足以說(shuō)明碳化塔在長(zhǎng)期制堿作業(yè)下，使用常規(guī)的AⅡ清洗對(duì)于提高碳化塔外冷器換熱效率的幅度有限，因此需要進(jìn)行熱煮清除冷卻管內(nèi)的結(jié)疤。實(shí)施熱煮時(shí)，利用廢淡液板式換熱器加熱洗塔水，提高水溫，降低蒸汽能耗，增加塔內(nèi)壁、篩板及冷卻管結(jié)疤的溶解度，快速恢復(fù)外冷器換熱效率，提高碳化結(jié)晶質(zhì)量。

在外冷器換熱效率得到保障下，常規(guī)的AⅡ清洗配合熱煮碳化塔表現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。在96 h制堿作業(yè)周期內(nèi)，外冷器換熱效率基本保持不變，且能夠在多個(gè)制堿周期內(nèi)穩(wěn)定在90% 以上的換熱效率。在連續(xù)多個(gè)制堿作業(yè)周期內(nèi)換熱效率基本保持不變，主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)安全環(huán)保上，碳化塔常規(guī)采用熱AⅡ清洗，根據(jù)換熱效率決定是否需要熱煮，以改善碳化結(jié)晶。熱煮后的洗塔水回收至聯(lián)堿生產(chǎn)系統(tǒng)作為補(bǔ)液，既不破壞系統(tǒng)母液和水平衡，也避免了含氨等廢液的排放等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)環(huán)保與降本增效雙贏。

2)能源消耗上，利用廢淡液板式換熱器加熱洗塔水至50 ℃左右，通入少量1.4 MPa蒸汽維持水溫在60 ℃，不需要消耗大量的蒸汽熱能，便可提高洗塔水水溫，大大降低了能耗，同時(shí)也能夠節(jié)約洗水加熱的時(shí)間，縮短煮塔時(shí)間，節(jié)約運(yùn)行成本。

3)產(chǎn)品質(zhì)量上，碳化塔進(jìn)行熱煮后，外冷器內(nèi)部結(jié)疤得到有效地去除，提高了碳化塔以及外冷器內(nèi)部有效面積，從而提升了外冷器換熱效率，使得出堿溫度可調(diào)控。原出堿溫度一直保持在39 ℃以上。而由于換熱效率可監(jiān)測(cè)，將出堿溫度調(diào)整至38 ℃以上，運(yùn)行2～3個(gè)制堿周期。經(jīng)連續(xù)試運(yùn)行后，外冷器換熱效率仍較高，碳化結(jié)晶質(zhì)量以及產(chǎn)量在原有的基礎(chǔ)上得到了提升，重堿水分以及煅燒汽耗進(jìn)一步降低，純堿日均產(chǎn)能得到提高，單塔純堿日產(chǎn)量可達(dá)到300 t/d以上。

3 經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算

煮塔洗水用量200 m3，水的比熱4.18 kJ/(kg·℃)，1.4 MPa蒸汽焓值2 788.4 kJ/kg，蒸汽按目前市場(chǎng)價(jià)155元/噸計(jì)算。200 m3洗塔水溫度由25 ℃升至60 ℃，需要的1.4 MPa蒸汽量為：200×4.18×(60-25) / (2788.4-4.18×60)=11.53 t；同理，200 m3洗塔水溫度由50 ℃升至60 ℃，需要的1.4 MPa蒸汽量為3.29 t ，則實(shí)施一次洗塔可節(jié)約蒸汽成本為：(11.53-3.29)×155=1 277.2元/t。

4 結(jié) 論

換熱效率的計(jì)算組態(tài)，能夠較好地監(jiān)控外冷器換熱性能以及塔況，針對(duì)碳化生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)調(diào)整工藝策略，如母液進(jìn)液溫度居高不下、循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫差小等問(wèn)題，結(jié)合效率曲線表可判斷碳化塔及外冷器工作情況，適時(shí)進(jìn)行熱煮，為純堿生產(chǎn)提供可行性操作，使碳化結(jié)晶粒度得到可控。雖熱煮碳化塔能夠有效去除塔內(nèi)壁、篩板以及外冷器接管內(nèi)結(jié)疤，但熱煮不僅需要消耗蒸汽熱能，而且造成系統(tǒng)水膨脹，故不能常用。因此，換熱效率的監(jiān)測(cè)能判斷熱煮是否需要投用，使熱煮發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益，做到既不破壞系統(tǒng)水平衡，又能達(dá)到環(huán)保要求，改善碳化塔塔況，提高碳化結(jié)晶，降低重堿水分以及煅燒蒸汽能耗，為公司降本增效提供有力保障。